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DE102008018355A1 - Position measuring device has material measure and sensing head moving against material measure, where material measure has multiple pseudorandom divalent markings with constant measuring partition - Google Patents

Position measuring device has material measure and sensing head moving against material measure, where material measure has multiple pseudorandom divalent markings with constant measuring partition Download PDF

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DE102008018355A1
DE102008018355A1 DE102008018355A DE102008018355A DE102008018355A1 DE 102008018355 A1 DE102008018355 A1 DE 102008018355A1 DE 102008018355 A DE102008018355 A DE 102008018355A DE 102008018355 A DE102008018355 A DE 102008018355A DE 102008018355 A1 DE102008018355 A1 DE 102008018355A1
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Germany
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measuring device
material measure
position measuring
code
sensors
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DE102008018355A
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German (de)
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DE102008018355B4 (en
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Günter Dr. Reusing
Walter Felber
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Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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Publication date
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Abstract

The position measuring device (10) has a material measure (11) and a sensing head (13) moving against the material measure. The material measure has multiple pseudorandom divalent markings (12) with a constant measuring partition (t). Multiple sensors are provided in the sensing head, which are arranged so that they sense multiple divalent markings in a position of the position measuring device. A sensing signal is guided indirectly to both the absolute detector and the interpolator.

Description

Die Erfindung betrifft eine Positionsmessvorrichtung gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.The The invention relates to a position measuring device according to the Preamble of claim 1.

Aus der DE 102 34 744 A1 ist eine Positionsmessvorrichtung bekannt. Gemäß der dortigen 4 ist eine Maßverkörperung 10 vorgesehen, die von einem Abtastkopf abgetastet wird. Die Maßverkörperung umfasst eine Vielzahl von in einer Reihe angeordneten Markierungen in Form von magnetischen Nord- und Südpolen, so dass jede Markierung zwei mögliche Werte annehmen kann. Die Nord- und Südpole sind mit einer konstanten Messteilung pseudozufällig verteilt angeordnet, d. h. dem Bitcode einer vorgegebenen Anzahl von nebeneinander angeordneten Markierungen ist eine eindeutige absolute Position des Abtastkopfes gegenüber der Maßverkörperung zugeordnet. In dem Abtastkopf sind mehrere Sensoren SC0 bis SC9 und SF0 bis SF6 vorgesehen, die so angeordnet sind, dass sie in einer Stellung der Positionsmessvorrichtungen mehrere zweiwertige Markierungen gleichzeitig abtasten können. Die genannten Sensoren sind als Hall-Sensoren ausgeführt, dementsprechend ändern sich deren Abtastsignale kontinuierlich, wenn die Positionsmessvorrichtung ihre Stellung ändert. Die Abtastsignale der Sensoren SC0 bis SC9 werden einem Absolutdecoder 14; 16; 20 zugeführt, um eine Absolutposition bezüglich der Messteilung zu ermitteln. Weiter ist ein Interpolator 24; 26; 28 vorgesehen, der aus den Abtastsignalen der Sensoren SF0 bis SF5 eine Zwischenposition bezüglich der Messteilung ermittelt. Der aus der Absolut- und der Zwischenposition zusammen gesetzte Gesamtpositionswert ist folglich genauer als die Messteilung der Maßverkörperung.From the DE 102 34 744 A1 a position measuring device is known. According to the local 4 is a material measure 10 provided, which is scanned by a scanning head. The measuring standard comprises a multiplicity of markings arranged in a row in the form of magnetic north and south poles, so that each mark can assume two possible values. The north and south poles are distributed pseudorandomly with a constant measurement graduation, ie, the bit code of a predetermined number of juxtaposed markers is assigned a unique absolute position of the scanning head relative to the material measure. Provided in the scanning head are a plurality of sensors SC0 to SC9 and SF0 to SF6, which are arranged so that they can simultaneously scan a plurality of bivalent marks in one position of the position measuring devices. Said sensors are designed as Hall sensors, accordingly their scanning signals change continuously when the position measuring device changes its position. The scanning signals of the sensors SC0 to SC9 become an absolute decoder 14 ; 16 ; 20 supplied to determine an absolute position with respect to the measurement graduation. Next is an interpolator 24 ; 26 ; 28 provided, which determines from the scanning signals of the sensors SF0 to SF5 an intermediate position with respect to the measuring graduation. The total position value composed of the absolute position and the intermediate position is therefore more accurate than the measurement graduation of the material measure.

Der Nachteil dieser Positionsmessvorrichtung besteht darin, dass sehr viele Sensoren für die Positionsermittlung erforderlich sind. Die Aufgabe der Erfindung besteht dementsprechend darin, die Anzahl der Sensoren zu verringern.Of the Disadvantage of this position measuring device is that very Many sensors are required for position determination are. The object of the invention is accordingly, the number to reduce the sensors.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird vorgeschlagen, dass wenigstens ein Abtastsignal wenigstens mittelbar sowohl dem Absolutdecoder als auch dem Interpolator zuführbar ist. Dementsprechend werden für den Absolutdecoder und den Interpolator nicht jeweils gesonderte Sensoren wie in der DE 102 34 744 A1 , sondern gemeinsame Sensoren verwendet. Folglich sind weniger Sensoren für die Positionsbestimmung erforderlich.To solve this problem, it is proposed that at least one scanning signal can be fed at least indirectly both to the absolute decoder and to the interpolator. Accordingly, for the absolute decoder and the interpolator not separate sensors as in the DE 102 34 744 A1 but uses common sensors. As a result, fewer sensors are required for position determination.

Eine besonders geringe Sensoranzahl ergibt sich, wenn alle Abtastsignale wenigstens mittelbar sowohl dem Absolutdecoder als auch dem Interpolator zuführbar sind. Bei einer Anordnung der Sensoren wie in der DE 102 34 744 A1 gezeigt, bei der der Sensorabstand gleich der Messteilung ist, ergibt sich die erforderliche Sensoranzahl aus der Codebreite des pseudozufälligen Codes multipliziert mit zwei.A particularly small number of sensors results if all the scanning signals can be fed at least indirectly both to the absolute decoder and to the interpolator. In an arrangement of the sensors as in the DE 102 34 744 A1 2, where the sensor pitch is equal to the measurement pitch, the required number of sensors is the code width of the pseudorandom code multiplied by two.

Der Abstand s der Sensoren kann von der Messteilung t abweichen, wobei die Bedingung n·s ≥ m·t erfüllt ist, wobei n die Anzahl der Sensoren und m die Codebreite des pseudozufälligen Codes ist und wobei n > m gilt. Durch diese Ausgestaltung kann die Anzahl der erforderlichen Sensoren weiter verringert werden. Dieser Ausführungsform liegt das gleiche Funktionsprinzip zugrunde, welches auch bei der Noniusskala eines mechanischen Messschiebers zur Anwendung kommt. Die kleinstmögliche Anzahl an Sensoren ergibt sich, wenn die Bedingung n = m + 1 mit n·s = m·t erfüllt ist. Durch die Abweichung des Abstandes der Sensoren gegenüber der Messteilung wird sichergestellt, dass die verschiedenen Sensoren jeweils eine unterschiedliche Relativstellung gegenüber den einzelnen gegenüberliegenden Markierungen aufweisen, so dass eine mathematisch sinnvolle Auswertung der Abtastsignale möglich ist. Bei der bekannten Ausführungsform gemäß der DE 102 34 744 A1 wurde diesem Problem durch zwei gesonderte Sensorkämme Rechnung getragen, die um eine halbe Messteilung versetzt zueinander angeordnet sind.The distance s of the sensors may deviate from the measuring graduation t, satisfying the condition n · s ≥ m · t, where n is the number of sensors and m is the code width of the pseudo-random code and where n> m. By this configuration, the number of required sensors can be further reduced. This embodiment is based on the same functional principle, which is also used in the vernier scale of a mechanical calliper. The smallest possible number of sensors results if the condition n = m + 1 with n · s = m · t is satisfied. The deviation of the distance of the sensors from the measuring graduation ensures that the various sensors each have a different relative position relative to the individual opposing markings, so that a mathematically meaningful evaluation of the scanning signals is possible. In the known embodiment according to the DE 102 34 744 A1 This problem was taken into account by two separate sensor combs which are offset by half the measurement graduation.

Es kann wenigstens ein Analog-Digital-Umsetzer vorgesehen sein, um alle Abtastsignale in einen digitalen Messvektor umzusetzen, wobei wenigstens eine digitale Multipliziereinheit vorgesehen ist, die so eingerichtet ist, dass sie den Messvektor mit mehren vorgegebenen Matrizen multiplizieren kann, um mehrere Codevektoren zu erhalten. Auf diese Weise kann die Positionsmessvorrichtung besonders einfach ausgeführt werden, da nur Additions- und Multiplikationsoperationen erforderlich sind. Die genannten mathematischen Operationen können weitgehend parallel ausgeführt werden, wodurch die Ausgabe des Positionsmesswertes mit einer besonders geringen Zeitverzögerung erfolgen kann.It At least one analog-to-digital converter may be provided to to convert all scanning signals into a digital measuring vector, wherein at least one digital multiplier unit is provided which is set up so that it sets the measurement vector with several Can multiply matrices to obtain multiple code vectors. In this way, the position measuring device can be particularly simple are executed, since only addition and multiplication operations required are. The mentioned mathematical operations can be largely be executed in parallel, whereby the output of the position measurement value can be done with a very low time delay.

Der Interpolator kann so eingerichtet sein, dass er aus den Codevektoren denjenigen auswählen kann, der die geringste Abweichung zu einem zweiwertigen Code aufweist, um die relative Zwischenposition bezüglich der Messteilung zu bestimmen. Durch diese Ausgestaltung kann die Interpolation auf besonders schnelle Weise realisiert werden, da die Abweichungen der verschiedenen Codevektoren zu einem zweiwertigen Code problemlos zeitlich parallel ausgeführt werden können.Of the Interpolator can be set up to be codevectors choose the one who has the slightest deviation to a two-valued code to the relative intermediate position to determine the measurement graduation. By this configuration the interpolation can be realized in a particularly fast manner, since the deviations of the different code vectors to a bivalent one Code can be easily executed in parallel time.

Der Interpolator kann so eingerichtet sein, dass er die Abweichung eines Codevektors zu einem zweiwertigen Code dadurch bestimmen kann, dass für jedes Codevektorelement die Betragsdifferenz zu 0 und zu 1 berechnet wird, wobei eine vorgegebene Potenz des Minimums der beiden Betragsdifferenzen berechnet wird, und wobei die genannten Potenzen aufsummiert werden. Somit kann die Abweichung eines Codevektors von einem zweiwertigen Code mit besonders einfachen und damit kostengünstig zu realisierenden Rechenoperationen ausgeführt werden. Bei der vorgegebenen Potenz des Minimums der beiden Betragsdifferenzen handelt es sich vorzugsweise um die zweite Potenz, da diese besonders einfach zu berechnen ist.The interpolator may be arranged to determine the deviation of a code vector to a bivalent code by calculating the magnitude difference for each code vector element to be 0 and 1, calculating a predetermined power of the minimum of the two magnitude differences, and wherein summed up. Thus, the deviation of a code vector from a two-valued code can particularly simple and therefore inexpensive to be implemented arithmetic operations are performed. The given power of the minimum of the two magnitude differences is preferably the second power, since this is particularly easy to calculate.

Der von dem Interpolator ausgewählte Codevektor kann dem Absolutdecoder zuführbar sein. Der Absolutdecoder kann in bekannter Weise mit einer Tabelle arbeiten, die jedem möglichen Bitcode die entsprechende Absolutposition zuordnet. Der ausgewählte Codevektor, der einem zweiwertigen Code am Nahesten kommt wird für den Zugriff auf die genannte Tabelle auf den genannten zweiwertigen Code gerundet. Der beschriebene Absolutdecoder ist sehr einfach aufgebaut und dementsprechend kostengünstig herzustellen. Die genannten Verarbeitungsschritte lassen sich sehr schnell durchführen, wodurch die Ausgabe des Positionsmesswerts mit einer besonders geringen Zeitverzögerung erfolgen kann.Of the The codevector selected by the interpolator may be the absolute decoder be fed. The absolute decoder can work in a familiar way work with a table containing every possible bitcode assigns the corresponding absolute position. The selected Codevector that comes closest to a two-valued code is for access to said table on the said two-valued Code rounded. The described absolute decoder is very simple built and therefore inexpensive to manufacture. The mentioned processing steps can be carried out very quickly, whereby the output of the position measurement value with a particularly low Time delay can be done.

Die Markierungen der Maßverkörperung können von Abschnitten hoher und niedriger magnetischer Permeabilität oder von Abschnitten hoher und niedriger elektrischer Leitfähigkeit gebildet werden, wobei die Sensoren elektrische Spulen, vorzugsweise Planarspulen, sind. Derartige Maßverkörperungen können besonders kostengünstig hergestellt werden. Die Maßverkörperung kann beispielsweise ein dünnes Blechband sein, in das eine Vielzahl von gleichartigen, rechteckigen Durchbrüchen eingeätzt worden ist. Die zwei möglichen Werte der Markierung ergeben sich durch die An- oder Abwesenheit eines Durchbruchs. Es ist aber auch möglich, die Führungsschiene eines Linearwälzlagers als Maßverkörperung zu verwenden, wobei die Markierungen von Ausnehmungen in der Führungsschiene gebildet werden. Die Ausnehmungen können beispielsweise mittels Funkenerosion in die gehärtete Stahlführungsschiene eingearbeitet werden. Aufgrund der einteiligen Ausführung der Maßverkörperung kann eine besonders hohe Messgenauigkeit erreicht werden.The Markings of the material measure can of high and low magnetic permeability sections or sections of high and low electrical conductivity are formed, wherein the sensors electrical coils, preferably Planar coils, are. Such dimensional standards can be made particularly inexpensive. The measuring standard may be, for example, a thin sheet metal strip, into which a Variety of similar, rectangular openings etched has been. The two possible values of the mark result through the presence or absence of a breakthrough. But it is also possible, the guide rail of a linear roller bearing to use as a material measure, with the markings be formed by recesses in the guide rail. The recesses can, for example by means of spark erosion incorporated into the hardened steel guide rail become. Due to the one-piece design of the material measure a particularly high measuring accuracy can be achieved.

Die vorgeschlagene Induktive Abtastung hat den Vorteil einer besonders hohen Widerstandsfähigkeit gegen Umgebungseinflüsse, wie Verschmutzung der Maßverkörperung. Die hierbei verwendeten Spulen, insbesondere die kostengünstigen Planarspulen, sind mit einer besonders hohen Windungszahl auszuführen, damit ein besonders starkes Sensorsignal erzeugt wird. In diesem Zusammenhang ist darauf hinzuweisen, dass der Abstand zwischen der Maßverkörperung und den Spulen üblicherweise in derselben Größenordnung wie die Messteilung der Maßverkörperung liegt. Dieser Umstand führt zu einem relativ schwachen Sensorsignal, welches nur wenig über der unvermeidbaren Rauschspannung der verwendeten Spulen liegt. Dementsprechend ist die Maximierung der Windungszahl der Spulen besonders wichtig, da hierdurch die Signalstärke wesentlich stärker ansteigt als die Rauschspannung der Sensorspulen.The proposed inductive scanning has the advantage of a particular high resistance to environmental influences, such as contamination of the material measure. The hereby used coils, in particular the cost planar coils are to carry out with a particularly high number of turns so that a particularly strong sensor signal is generated. In this context It should be noted that the distance between the material measure and the coils usually of the same order of magnitude how the measuring graduation of the material measure lies. This circumstance leads to a relatively weak sensor signal, which only a little above the unavoidable noise voltage the coils used is. Accordingly, the maximization the number of turns of the coils particularly important, since this is the Signal strength increases much more than that Noise voltage of the sensor coils.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Es stellt dar:The Invention will be described below with reference to the accompanying drawings explained in more detail. It shows:

1 eine grobschematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Positionsmessvorrichtung und 1 a rough schematic representation of a position measuring device according to the invention and

2 ein Blockschaltbild der Positionsmessvorrichtung gemäß 1. 2 a block diagram of the position measuring device according to 1 ,

In 1 ist eine erfindungsgemäße Positionsmessvorrichtung ganz allgemein mit 10 bezeichnet. Die Positionsmessvorrichtung 10 besteht aus einer Maßverkörperung 11, die an der Führungsschiene 14 eines Linearwälzlagers vorgesehen ist. An der Führungsschiene 14 ist ein Führungswagen 15 über mehrere Reihen von (nicht dargestellten) Wälzkörpern in Längsrichtung 16 beweglich geführt. An einem Ende des Führungswagens 15 ist ein Abtastkopf 13 vorgesehen, in dem die Sensoren zum Abtasten der Maßverkörperung 11 angeordnet sind. Durch die Auswertung der Abtastsignale der Sensoren wird die absolute Stellung des Führungswagens 15 gegenüber der Führungsschiene 14 bestimmt.In 1 is a position measuring device according to the invention in general with 10 designated. The position measuring device 10 consists of a material measure 11 attached to the guide rail 14 a linear roller bearing is provided. At the guide rail 14 is a carriage 15 over several rows of (not shown) rolling elements in the longitudinal direction 16 movably guided. At one end of the carriage 15 is a scanning head 13 provided in which the sensors for scanning the material measure 11 are arranged. By evaluating the scanning signals of the sensors, the absolute position of the guide carriage 15 opposite the guide rail 14 certainly.

Die Maßverkörperung 11 wird durch eine Vielzahl von zweiwertigen Markierungen 12 an der Führungsschiene aus gehärtetem Wälzlagerstahl gebildet. Die Markierungen 12 sind pseudozufällig mit einer konstanten Messteilung t von 1,0 mm entlang der Längsrichtung 16 der Führungsschiene 14 verteilt angeordnet. Die zwei möglichen Werte einer Markierung 12 werden durch das Fehlen oder Vorhandensein einer Ausnehmung in der Führungsschiene repräsentiert, wobei die Ausnehmungen mittels Funkenerosion hochgenau in die Führungsschiene 14 eingearbeitet sind. Die gesamte Maßverkörperung ist mit einem (nicht dargestellten) dünnen Band aus Stahlblech dicht abgedeckt, damit die Ausnehmungen nicht durch Fremdstoffe verschmutzt werden können, wodurch sich ihre elektromagnetischen Eigenschaften ändern könnten.The measuring standard 11 is characterized by a variety of divalent markings 12 formed on the guide rail made of hardened bearing steel. The marks 12 are pseudo-random with a constant measurement pitch t of 1.0 mm along the longitudinal direction 16 the guide rail 14 arranged distributed. The two possible values of a marker 12 are represented by the absence or presence of a recess in the guide rail, wherein the recesses by means of spark erosion with high precision in the guide rail 14 are incorporated. The entire material measure is tightly covered with a (not shown) thin strip of sheet steel, so that the recesses can not be contaminated by foreign substances, which could change their electromagnetic properties.

Die pseudozufällig angeordneten zweiwertigen Markierungen 12 haben die Eigenschaft, dass eine vorbestimmte Anzahl (Codebreite) von benachbarten zweiwertigen Markierungen einen Bitcode bildet, der die Absolutposition dieses Bitcodes auf der Maßverkörperung eindeutig kennzeichnet.The pseudorandomly arranged bivalent markers 12 have the property that a predetermined number (code width) of adjacent bivalent marks form a bit code uniquely identifying the absolute position of this bit code on the scale.

2 zeigt ein Blockschaltbild der Auswerteschaltung, die in dem Abtastkopf 13 angeordnet ist. Die Auswerteschaltung umfasst mehrere Sensoren 30, die mit einem vorbestimmten konstanten Abstand s entlang der Längsrichtung 16 verteilt angeordnet sind, wobei der Abstand s von der Messteilung t abweicht. Im vorliegenden Blockschaltbild beträgt die Codebreite der Maßverkörperung vier, wobei der Sensorabstand s so gewählt ist, dass über eine Strecke von vier Messteilungen t fünf Sensoren gleichförmig verteilt angeordnet sind. Es versteht sich von selbst, dass bei einer praktisch verwendbaren Positionsmessvorrichtung eine wesentlich größere Codebreite erforderlich ist, damit eine genügend große Anzahl von Absolutpositionen unterschieden werden kann. Die Anzahl der zu unterscheidenden Absolutpositionen ergibt sich aus der Messteilung t und der Länge der Maßverkörperung 11 bzw. der Führungsschiene. 2 shows a block diagram of the evaluation circuit in the scanning 13 is arranged. The evaluation circuit comprises several sensors 30 at a predetermined constant distance s along the longitudinal direction 16 arranged distributed are, wherein the distance s deviates from the measuring graduation t. In the present block diagram, the code width of the material measure is four, wherein the sensor distance s is chosen so that over a distance of four measuring graduations t five sensors are arranged uniformly distributed. It goes without saying that a substantially larger code width is required in a practically usable position measuring device, so that a sufficiently large number of absolute positions can be distinguished. The number of absolute positions to be distinguished results from the measuring graduation t and the length of the material measure 11 or the guide rail.

Die Sensoren 30 sind als Planarspulen ausgeführt, die mittels eines photochemischen Ätzprozesses auf ein im Wesentlichen starres ebenes Substrat aus Silizium, Metall oder Kunststoff aufgebracht sind. Bei einem Sensor kann es sich wahlweise um eine einzelne Spule mit einer einzigen Windungsrichtung oder um ein in Reihe geschaltetes Spulenpaar mit entgegen gesetzter Windungsrichtung handeln. Die zweite sogenannte differentielle Spulenanordnung wird gewählt, wenn eine hohe Unempfindlichkeit des Positionsmesssystems in Bezug auf äußere Störungen angestrebt wird. Die erste Spulenanordnung wird bevorzugt, wenn eine sehr kleine Messteilung t angestrebt wird, um die Messgenauigkeit zu erhöhen. Die Planarspulen 30 sind parallel zur Oberfläche der Maßverkörperung ausgerichtet, wobei deren Abstand zu dieser Oberfläche etwa der Messteilung t entspricht.The sensors 30 are designed as planar coils, which are applied by means of a photochemical etching process on a substantially rigid planar substrate made of silicon, metal or plastic. A sensor may optionally be a single coil with a single winding direction or a series-connected coil pair with the opposite direction of winding. The second so-called differential coil arrangement is chosen if a high insensitivity of the position measuring system with respect to external disturbances is desired. The first coil arrangement is preferred if a very small measuring graduation t is aimed for in order to increase the measuring accuracy. The planar coils 30 are aligned parallel to the surface of the measuring scale, wherein the distance to this surface corresponds approximately to the measuring graduation t.

Weiter ist in dem Abtastkopf wenigstens eine (nicht dargestellte) Felderzeugungsspule vorgesehen, die ein elektromagnetisches Wechselfeld erzeugt, das alle Sensoren 30 durchsetzt. Dieses elektromagnetische Wechselfeld wird von den Ausnehmungen in der Führungsschiene moduliert, wodurch je nach An- oder Abwesenheit einer Ausnehmung unterschiedliche Wechselspannungen in den Sensorspulen 30 induziert werden. Die Abtastsignale 52 in Form der genannten Wechselspannungen ändern sich kontinuierlich mit der Stellung des Führungswagens gegenüber der Führungsschiene.Further, in the scanning head at least one (not shown) field generating coil is provided, which generates an alternating electromagnetic field, all the sensors 30 interspersed. This electromagnetic alternating field is modulated by the recesses in the guide rail, whereby, depending on the presence or absence of a recess different AC voltages in the sensor coils 30 be induced. The scanning signals 52 in the form of said alternating voltages change continuously with the position of the guide carriage relative to the guide rail.

Die Abtastsignale 52 aller Sensoren 30 werden von je einem Analog-Digital-Umsetzer 33 digitalisiert. Die Verwendung mehrerer parallel arbeitender Analog-Digital-Umsetzter 33 ist gegenüber einem einzigen im Multiplexbetrieb arbeitenden Analog-Digital-Umsetzer bevorzugt, weil größere Verfahrgeschwindigkeiten der Positionsmessvorrichtung 10 möglich sind. Darüber hinaus erhöht sich durch die exakt zeitgleiche Digitalisierung aller Abtastsignale 52 die Messgenauigkeit, wenn die Positionsmessvorrichtung 10 schnell bewegt wird. Die Analog-Digital-Wandlung wird synchron zum elektromagnetischen Wechselfeld, das die Abtastsignale 52 erzeugt, durchgeführt. Folglich repräsentieren die gewonnenen Digitalwerte die Schwingungsamplitude der in die Sensorspulen induzierten Wechselspannungen. Man spricht in diesem Zusammenhang auch von einer Synchrondemodulation.The scanning signals 52 all sensors 30 are each by an analog-to-digital converter 33 digitized. The use of several analog-to-digital converters operating in parallel 33 is preferred over a single multiplexed analog-to-digital converter because of greater travel speeds of the position measuring device 10 possible are. In addition, the exact simultaneous digitization of all scanning signals increases 52 the measuring accuracy when the position measuring device 10 is moved quickly. The analog-to-digital conversion becomes synchronous to the electromagnetic alternating field, which is the scanning signals 52 generated, performed. Consequently, the obtained digital values represent the oscillation amplitude of the AC voltages induced in the sensor coils. One speaks in this context of a synchronous demodulation.

Alle Digitalwerte, die beim Digitalisieren der Abtastsignale 52 zu einem bestimmten Zeitpunkt gewonnen werden, werden zu einem digitalen Messvektor 53 zusammengefasst. Die digitalen Messvektoren 53 werden mehreren parallel arbeitenden Multipliziereinheiten 34 zugeführt, die den Messvektor 53 jeweils mit einer vorgebbaren Matrix von Digitalwerten multiplizieren, um einen Codevektor 54 zu ermitteln. Jede dieser Matrizen ist dabei einer der zu bestimmenden Zwischenposition der Positionsmessvorrichtung bezüglich der Messteilung zugeordnet. Der Codevektor 54 entspricht dem unter den Sensoren 30 vorhandenen zweiwertigen Bitcode der Maßverkörperung 11, sofern sich die Positionsmessvorrichtung genau in der Zwischenstellung befindet, die der betreffenden Matrix zugeordnet ist.All digital values used when digitizing the scanning signals 52 be obtained at a given time, become a digital measurement vector 53 summarized. The digital measurement vectors 53 become multiple parallel multiplier units 34 fed to the measuring vector 53 in each case multiply by a predefinable matrix of digital values to form a code vector 54 to investigate. Each of these matrices is assigned to one of the intermediate position to be determined of the position measuring device with respect to the measuring graduation. The codevector 54 corresponds to that under the sensors 30 existing bivalent bit code of the material measure 11 , provided that the position measuring device is located exactly in the intermediate position, which is assigned to the relevant matrix.

Die Berechnung des Codevektors bzw. Bitcodes der Maßverkörperung aus dem Messvektor lässt sich mit Hilfe einer Matrixmultiplikation durchführen, weil die vorgeschlagene Positionsmessvorrichtung ein lineares Systemverhalten aufweist, d. h. der Messvektor, der sich beispielsweise bei einem Codevektor von (1, 1, 0, 1) ergibt, lässt sich aus der Summe der Messvektoren berechnen, die sich aus den Codevektoren (1, 0, 0, 0), (0, 1, 0, 0) und (0, 0, 0, 1) ergeben. Letztgenannte Vektoren werden Einheitsvektoren genannt, da sie nur ein einziges 1-Bit enthalten. Die genannten Matrizen lassen sich folglich bestimmen, indem die Messvektoren zu den verschiedenen Einheitsvektoren experimentell bestimmt werden. Hierzu wird eine Maßverkörperung verwendet, die nur eine einzige 1-Markierung, also nur eine einzige Ausnehmung aufweist, wobei der Abtastkopf in verschiedene Stellungen bezüglich der 1-Markierung verfahren wird, die den verschiedenen Einheitsvektoren und den verschiedenen zu ermittelnden Zwischenstellungen entsprechen. In den genannten Stellungen werden die jeweiligen Messvektoren ermittelt. Aus diesen Messwerten in Verbindung mit den zugeordneten Einheitsvektoren ergibt sich für jede gesuchte Matrix ein lineares Gleichungssystem, das problemlos gelöst werden kann. Es ist darauf hinzuweisen, dass dieses Gleichungssystem mehr Gleichungen als Unbekannt aufweist, da erfindungsgemäß die Anzahl der Sensoren größer als die Codebreite ist. Bei Vorliegen eines exakt linearen Systemverhaltens sind die überzähligen Gleichungen linear abhängig zu den übrigen Gleichungen. Für den Fall eines leicht nichtlinearen Systemverhaltens wird die Lösung des Gleichungssystems durch eine Optimierungsaufgabe ersetzt, bei der diejenige Matrix gesucht wird, welche das genannte Gleichungssystem mit dem geringsten Fehler löst.The Calculation of the code vector or bit code of the material measure from the measurement vector can be determined with the help of a matrix multiplication perform because the proposed position measuring device has a linear system behavior, i. H. the measurement vector, the For example, results in a codevector of (1, 1, 0, 1) leaves to calculate from the sum of the measuring vectors, which result from the Code vectors (1, 0, 0, 0), (0, 1, 0, 0) and (0, 0, 0, 1) result. The latter vectors are called unit vectors, since they only contain a single 1-bit. The matrices mentioned can be Consequently, determine by the measurement vectors to the various Unit vectors are determined experimentally. This will be a Measuring standard used only a single one 1-mark, so only a single recess, wherein the Scanning head in different positions with respect to the 1-mark the different unit vectors and the different ones correspond to intermediate positions to be determined. In the mentioned positions the respective measuring vectors are determined. From these measurements in conjunction with the associated unit vectors results for each sought matrix a linear system of equations, the can be solved easily. It should be noted that this equation system has more equations than unknown, since according to the invention, the number of sensors larger as the code width is. In the presence of an exactly linear system behavior the extra equations are linearly dependent to the other equations. In the case of one easily nonlinear system behavior becomes the solution of the System of equations replaced by an optimization task in which the matrix is sought, which the said equation system with solves the slightest mistake.

Die Codevektoren 54 werden je einer Abweichungsermittlungseinheit 35 zugeführt, die den Abstand 55 des Codevektors 54 von einem zweiwertigen Bitcode ermittelt. Diesem Berechnungsschritt liegt die Überlegung zugrunde, dass die obige Matrixberechnung nur dann einen zweiwertigen Codevektor, also einen Codevektor, der nur die Werte 0 und 1 aufweist, liefert, wenn sich die Positionsmessvorrichtung in der der Matrix zugeordneten Zwischenstellung befindet. In allen übrigen Fällen wird der Codevektor von 0 bzw. 1 abweichende Werte aufweisen, wobei die Abweichung umso größer ist, je weiter die Positionsmessvorrichtung von der betrachteten Zwischenstellung entfernt ist. Die genannte Abweichung 55 eines Codevektors zu einem zweiwertigen Code wird dadurch bestimmt, dass für jedes Codevektorelement die Betragsdifferenz zu 0 und zu 1 berechnet wird, wobei das Quadrat des Minimums der beiden Betragsdifferenzen berechnet wird und wobei die genannten Quadrate aufsummiert werden.The codevectors 54 are each a deviation determination unit 35 fed the distance 55 of the code vector 54 determined by a two-valued bit code. This calculation step is based on the consideration that the above matrix calculation only supplies a divalent codevector, that is to say a codevector which has only the values 0 and 1, when the position-measuring device is in the intermediate position assigned to the matrix. In all other cases, the code vector of 0 or 1 will have different values, the deviation being greater the farther the position measuring device is away from the intermediate position under consideration. The mentioned deviation 55 of a codevector to a bivalent code is determined by calculating for each codevector element the magnitude difference to 0 and to 1, calculating the square of the minimum of the two magnitude differences and summing up said squares.

Die Abweichungen 55 werden einer Auswahleinheit 36 zugeführt, welche die kleinste Abweichung 55 auswählt und daraus die Zwischenposition 55 ermittelt. Diese Zwischenposition 55 wird einerseits als Bestandteil des Gesamtpositionswerts 56 ausgegeben und andererseits dem Absolutdecoder zugeführt, damit dieser anhand der Zwischenposition 55 den für die Weiterverarbeitung am besten geeigneten Codevektor 54 auswählen kann. Die Positionsmessvorrichtung arbeitet vorzugsweise im dualen Zahlensystem, weshalb die Anzahl der Zwischenposition vorzugsweise eine 2er-Potenz ist. Die Zwischenposition 55 entspricht in diesem Fall den geringstwertigen Bits des Gesamtpositionswerts. Der Interpolator 32 im Sinne des selbständigen Anspruchs wird durch die Multipliziereinheiten 34, die Abweichungsermittlungseinheiten 35 und die Auswahleinheit 36 gebildet.The deviations 55 become a selection unit 36 fed, which is the smallest deviation 55 selects and from this the intermediate position 55 determined. This intermediate position 55 is on the one hand as part of the total position value 56 outputted and on the other hand fed to the absolute decoder, so this on the basis of the intermediate position 55 the most suitable code vector for further processing 54 can choose. The position measuring device preferably operates in the dual number system, for which reason the number of intermediate positions is preferably a power of two. The intermediate position 55 in this case corresponds to the least significant bits of the total position value. The interpolator 32 in the sense of the independent claim is determined by the multiplier units 34 , the variance calculation units 35 and the selection unit 36 educated.

Die höchstwertigen Bits des Gesamtpositionswerts 56 bzw. die Absolutposition 51 wird von dem Absolutdecoder 31 ermittelt, indem der anhand der Zwischenposition 50 ausgewählte Codevektor 54 auf einen zweiwertigen Codevektor gerundet wird, d. h. alle Codeelemente des ausgewählten Codevektors 54 werden entweder auf 0 oder 1 gerundet. Dadurch enthält man eine endliche Anzahl an möglichen Bitcodes, denen über eine endliche Tabelle die gesuchte Absolutposition 51 zugeordnet wird. Es ist darauf hinzuweisen, dass dem Absolutdecoder 31 die Abtastsignale 52 im Sinne des selbstständigen Anspruchs mittelbar über den Codevektor 54 zugeführt werden.The most significant bits of the total position value 56 or the absolute position 51 is from the absolute decoder 31 determined by the basis of the intermediate position 50 selected codevector 54 is rounded to a divalent codevector, ie all code elements of the selected codevector 54 are rounded to either 0 or 1. As a result, a finite number of possible bit codes is contained, to which the absolute position sought is displayed via a finite table 51 is assigned. It should be noted that the absolute decoder 31 the scanning signals 52 in the sense of the independent claim indirectly via the code vector 54 be supplied.

tt
Messteilungmeasuring graduation
ss
Abstand der Sensorendistance the sensors
1010
PositionsmesseinrichtungPosition measuring device
1111
MaßverkörperungMeasuring standard
1212
Markierungmark
1313
Abtastkopfscan head
1414
Führungsschieneguide rail
1515
Führungswagencarriages
1616
Längsrichtunglongitudinal direction
3030
Sensorsensor
3131
Absolutdecoderabsolutely decoder
3232
Interpolatorinterpolator
3333
Analog-Digital-UmsetzerAnalog-to-digital converter
3434
Multipliziereinheitmultiplier
3535
AbweichungsermittlungseinheitVariance calculation unit
3636
Auswahleinheitselector
5050
Zwischenpositionintermediate position
5151
Absolutpositionabsolute position
5252
Abtastsignalsampling
5353
Messvektormeasurement vector
5454
Codevektorcode vector
5555
Abweichungdeviation
5656
GesamtpositionswertTotal position value

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Claims (9)

Positionsmessvorrichtung (10) mit einer Maßverkörperung (11) und einem gegenüber der Maßverkörperung (11) beweglichen Abtastkopf (13) zur Abtastung der Maßverkörperung (11), wobei die Maßverkörperung (11) eine Vielzahl von in einer Reihe angeordneten, pseudozufälligen zweiwertigen Markierungen (12) mit einer konstanten Messteilung (t) aufweist, wobei in dem Abtastkopf (13) mehrere Sensoren (30) vorgesehen sind, die so angeordnet sind, dass sie in einer Stellung der Positionsmessvorrichtung (10) mehrere zweiwertige Markierungen (12) abtasten können, wobei die Sensoren (30) Abtastsignale (52) ausgeben können, die sich bei einer Stellungsänderung der Positionsmessvorrichtung (10) kontinuierlich verändern, wobei die Abtastsignale einem Absolutdecoder (31) zum Ermitteln einer Absolutposition (51) bezüglich der Messteilung (t) und einem Interpolator (52) zum Ermitteln einer relativen Zwischenposition (50) bezüglicher Messteilung (t) zuführbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Abtastsignal (52) wenigstens mittelbar sowohl dem Absolutdecoder (51) als auch dem Interpolator (32) zuführbar ist.Position measuring device ( 10 ) with a material measure ( 11 ) and one opposite the material measure ( 11 ) movable scanning head ( 13 ) for scanning the material measure ( 11 ), wherein the material measure ( 11 ) a plurality of pseudorandom divalent labels arranged in a row ( 12 ) with a constant measuring graduation (t), wherein in the scanning head ( 13 ) several sensors ( 30 ) are arranged, which are arranged so that they in a position of the position measuring device ( 10 ) several bivalent markers ( 12 ), whereby the sensors ( 30 ) Scanning signals ( 52 ) can be output, which in a position change of the position measuring device ( 10 ), whereby the scanning signals are sent to an absolute decoder ( 31 ) for determining an absolute position ( 51 ) with respect to the measurement graduation (t) and an interpolator ( 52 ) for determining a relative intermediate position ( 50 ) with respect to the measuring graduation (t), characterized in that at least one scanning signal ( 52 ) at least indirectly both the absolute decoder ( 51 ) as well as the interpolator ( 32 ) can be fed. Positionsmessvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass alle Abtastsignale (52) wenigstens mittelbar sowohl dem Absolutdecoder (31) als auch dem Interpolator (32) zuführbar sind.Position measuring device according to one of the preceding claims, characterized in that all scanning signals ( 52 ) at least indirectly both the absolute decoder ( 31 ) as well as the interpolator ( 32 ) can be supplied. Positionsmessvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand s der Sensoren (30) von der Messteilung t abweicht, wobei die Bedingung n·s ≥ m·t erfüllt ist, wobei n die Anzahl der Sensoren und m die Codebreite des pseudozufälligen Codes ist und wobei n > m gilt.Position measuring device according to claim 1, characterized in that the distance s of the sensors ( 30 ) differs from the measuring graduation t, satisfying the condition n · s ≥ m · t, where n is the number of sensors and m is the code width of the pseudo-random code and where n> m. Positionsmessvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Bedingung n = m + 1 gilt.Position measuring device according to claim 3, characterized characterized in that the condition n = m + 1 applies. Positionsmessvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Analog-Digital-Umsetzer (33) vorgesehen ist, um alle Abtastsignale (52) in einen digitalen Messvektor (53) umzusetzen, wobei wenigstens eine digitale Multipliziereinheit (34) vorgesehen ist, die so eingerichtet ist, dass sie den Messvektor (53) mit mehreren vorgegebenen Matrizen multiplizieren kann, um mehrere Codevektoren (54) zu erhalten.Position measuring device according to one of the preceding claims, characterized in that at least one analog-to-digital converter ( 33 ) is provided to all the scanning signals ( 52 ) into a digital measurement vector ( 53 ), wherein at least one digital multiplication unit ( 34 ) arranged to receive the measurement vector ( 53 ) can multiply with several predetermined matrices to form multiple code vectors ( 54 ) to obtain. Positionsmessvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Interpolator (32) so eingerichtet ist, dass er aus den Codevektoren (54) denjenigen auswählen kann, der die geringste Abweichung (55) zu einem zweiwertigen Code aufweist, um die relative Zwischenposition bezüglich der Messteilung (t) zu bestimmen.Position measuring device according to claim 5, characterized in that the interpolator ( 32 ) is arranged to be selected from the codevectors ( 54 ) can select the one with the least deviation ( 55 ) to a bivalent code to determine the relative intermediate position with respect to the measurement pitch (t). Positionsmessvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Interpolator (32) so eingerichtet ist, dass er die Abweichung eines Codevektors (54) zu einem zweiwertigen Code dadurch bestimmen kann, dass für jedes Codevektorelement die Betragsdifferenz zu 0 und zu 1 berechnet wird, wobei eine vorgegebene Potenz des Minimums der beiden Betragsdifferenzen berechnet wird und wobei die genannten Potenzen aufsummiert werden.Position measuring device according to claim 6, characterized in that the interpolator ( 32 ) is arranged to detect the deviation of a code vector ( 54 ) to a bivalent code by calculating, for each code vector element, the magnitude difference to 0 and 1, calculating a predetermined power of the minimum of the two magnitude differences and summing up said powers. Positionsmessvorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der von dem Interpolator (32) ausgewählte Codevektor (54) dem Absolutdecoder (31) zuführbar ist.Position measuring device according to claim 6 or 7, characterized in that that of the interpolator ( 32 ) selected codevector ( 54 ) the absolute decoder ( 31 ) can be fed. Positionsmessvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Markierungen (12) der Maßverkörperung (11) von Abschnitten hoher und niedriger magnetischer Permeabilität oder von Abschnitten hoher und niedriger elektrischer Leitfähigkeit gebildet werden, wobei die Sensoren (30) elektrische Spulen, vorzugsweise Planarspulen, sind.Position measuring device according to one of the preceding claims, characterized in that the markings ( 12 ) of the material measure ( 11 ) are formed of sections of high and low magnetic permeability or of sections of high and low electrical conductivity, wherein the sensors ( 30 ) Electric coils, preferably planar coils, are.
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